機械語

機械語#

学習目標#

  • 機械語の概念を理解する。

  • RISCとCISCの違いを理解する。

  • 簡単なPep/9の機械語プログラムを作成できる。

  • Pep/9のシミュレータを使って、機械語プログラムを実行できる。

機械語とは#

コンピューターが直接理解し、処理できる言語は機械語（Machine Language）という。プログラム内蔵方式を実現するため、機械語は0と1のビット列で表現される。

CPUでは、事前に定義された命令セットアーキテクチャ（ISA）に基づいて、機械語の命令を解釈し、実行する。各命令は、特定の操作を指示するビットパターンで構成されている。

コンピューターで処理するすべてのプログラムは、最終的には機械語に変換され、事前に定義された命令セットに従って実行される。

ISAの種類#

  • RISC（Reduced Instruction Set Computer）：単純な命令を持つ。TV、スマートフォンなどでよく使用されるARMのプロセッサがその代表例。

  • CISC（Complex Instruction Set Computer）：複雑な命令を持つ。消費電力が高い。PCでよく使用されるIntelやAMDのプロセッサがその代表例。

RISC

CISC

命令数

少ない

多い

生産コスト

低い

高い

消費電力

低い

高い

応用

TVなど

PC

Pep/9#

CPUの種類によって、処理する命令セットは異なる。ここでは、Pep/9という仮想コンピューターを使って、機械語を体験する。

Pep/9のワードは、16ビット（2バイト）で構成される。

Note

ワード（Word）とは、コンピューターの内部で一度に処理される情報量の単位である。1ワードを構成するビット数でその大きさを表す。ワードはコンピューターによって異なり、一般的には8・16・32・64ビットなどがある。

Pep/9の記憶装置は、65536バイトで構成され、アドレスは0000からFFFFまでの範囲で指定される。下記の表は、Pep/9の記憶装置でのアドレスと格納されるビットパターンの例である。

アドレス

内容

0000

0000 1010

0001

0000 0010

…

…

FFFF

1001 1011

Pep/9では、7つのレジスタを持つ。以下は三つの主要なレジスタの説明である。

  • The Accumulator（A）：演算の結果を一時的に保存するレジスタ。

  • The Program Counter（PC）：次に実行する命令のアドレスを指すレジスタ。

  • The Instruction Register（IR）：現在実行中の命令を保持するレジスタ。

命令#

Pep/9の命令セットには40種類の命令がある。

命令部とオペランド部#

命令は、命令部（Instruction Specifier）とオペランド部（Operand Specifier）の2つの部分で構成される。命令部は、命令の種類を示す8ビットのビットパターンである。オペランド部は、命令が操作するデータのアドレスや値を示す16ビットのビットパターンである。そのため、Pep/9の命令は、合計24ビット（3バイト）で表現される。

また、命令部だけで構成される命令もある。これらの命令は、オペランド部を持たないため、8ビットで表現される。

Pep/9 Instruction Format

Fig. 101 Pep/9の命令#

命令部#

命令部は以下の3つの部分で構成される。

  • オペコード（Opcode, Operation Code）：命令の種類を示すビットパターン。

  • レジスタ指定子（Register Specifier）：操作対象のレジスタを指定するビット。

  • アドレス指定方式（Addressing Mode）：オペランドの指定方法を示すビット。

下では、Pep/9の命令セットの一部を紹介する。

命令

説明

0000 0000

実行を停止する

1100 raaa

メモリからワードをロードする

1101 raaa

メモリからバイトをロードする

1110 raaa

メモリにワードを格納する

1111 raaa

メモリにバイトを格納する

0110 raaa

オペランドを加算する

0111 raaa

オペランドを減算する

Example

0000 0000は、実行を停止する命令であり、オペコードだけで構成される。

1100 raaaは、メモリからワードをレジスタにロードする命令である。ここで、1100はオペコードで、rはレジスタ指定子、aaaはアドレス指定方式を示す。

ここで示した他の命令は、4ビットのオペコードと、1ビットのレジスタ指定子、3ビットのアドレス指定方式を持つ。

Pep/9 Instruction

Fig. 102 Pep/9のinstruction specifier#

Note

ここで紹介するopcodeは、4ビットのビットパターンで表現される。Pep/9では、5ビット、7ビット、8ビットのopcodeも存在する。

オペランド部#

レジスタ指定子は、1ビットのビットパターンで、操作対象のレジスタを指定する。Pep/9では、以下の2つのレジスタが使用される。これ以降の例では、レジスタ指定子を0とし、レジスタA（Accumulator）を操作対象とする。Accumulatorは、演算の結果を一時的に保存するレジスタである。

r

レジスタ

0

Accumulator, A

1

Index register, X

アドレス指定方式（addressing mode）は、データを指定する方法を示す。アドレス指定方式には、以下の二つを紹介する。

  • 即値アドレス指定（Immediate Addressing）：オペランドの値を直接指定する。Pep/9では、000で即値アドレス指定を示す。

  • 直接アドレス指定（Direct Addressing）：オペランドのアドレスを直接指定する。Pep/9では、001で直接アドレス指定を示す。

Note

Pep/9では、メモリマップドI/O（Memory-mapped I/O）という方式を使用して、キーボードから入力を受け取り、ターミナルに出力する。

Pep/9の入力アドレスはFC15、出力アドレスはFC16である。命令部では、直接アドレス指定を使用して、オペランド部では入出力アドレスを指定すれば、キーボードからの入力やターミナルへの出力が可能になる。

命令の例#

下の命令を考えてみよう。

1100 0000 0000 0001 1100 0111

この命令部の1100 0000は、以下のように分解できる。

  • オペコード：1100

  • レジスタ指定子：0

  • アドレス指定方式：000

この命令は、メモリから2バイトのワードをレジスタAにロードする命令である。アドレス指定方式が000であるため、即値アドレス指定を示す。

オペランド部の値は0000 0001 1100 0111であり、これは16進数で01C7に相当する。この命令は、即値アドレス指定であるため、01c7を値としてレジスタAにロードする。

まとめると、この命令は「レジスタAに01C7をロードする」という意味になる。

「Hi」を出力するPep/9の機械語プログラム#

「Hi」と出力するPep/9の機械語プログラムを紹介する。

即値アドレス指定を使用する場合は、以下のステップでプログラムを作成する。

  1. 「H」のASCIIコードをレジスタAにロードする。

  2. レジスタAの値をターミナルに出力する。

  3. 「i」のASCIIコードをレジスタAにロードする。

  4. レジスタAの値をターミナルに出力する。

  5. 実行を停止する。

以上のことを機械語で表現すると、以下のようになる。

  1. 1101 0000 0000 0000 0100 1000

  2. 1111 0001 1111 1100 0001 0110

  3. 1101 0000 0000 0000 0110 1001

  4. 1111 0001 1111 1100 0001 0110

  5. 0000 0000

オペコード1101 0000はメモリからレジストAに1バイトの値をロードする命令で、オペランド部は2バイトで構成されるが、最初の1バイトは機能しないため、任意の値を指定できる。ここでは、0000 0000を指定している。

さらに、見やすくするために、16進数で表現すると、以下のようになる。

  1. D0 00 48

  2. F1 FC 16

  3. D0 00 69

  4. F1 FC 16

  5. 00

このプログラムD0 00 48 F1 FC 16 D0 00 69 F1 FC 16 00 zzをPep/9で実行すると、ターミナルに「Hi」と出力される。zzは、プログラム終了を示すためのコードである。

Pep/9のシミュレータは以下の手順でダウンロードできる。

  1. こちらにアクセスする。

  2. 「Download Windows」をクリックして、Pep/9のシミュレータをダウンロードする。

  3. ダウンロードした「Pep9-Installer-941.exe」を実行する。

  4. 「次へ」をクリックして、インストールを進める。

  5. 「インストール」をクリックして、Pep/9のシミュレータをインストールする。

  6. インストールが完了したら、「完了」をクリックして、Pep/9のシミュレータを起動する。

機械語で「Hi」を出力するPep/9のプログラムを実行するには、以下の手順を進む。

  1. シミュレータを起動し、ソースコードを「Object Code」に入力する。

  2. Build > Load Object Codeを選択し、プログラムをロードする。

  3. Build > Executeを選択し、プログラムを実行する。

  4. Outputに「Hi」と出力されることを確認する。

文字列を処理するPep/9の機械語プログラム#

二つの文字を受け取り、位置を入れ替え、ターミナルに出力するPep/9の機械語プログラムを紹介する。

このプログラムは、以下のステップで実行される。

  1. キーボードから入力した1文字目をレジスタAにロードする。

  2. レジスタAの値をメモリの任意のアドレスに格納する。

  3. キーボードから入力した2文字目をレジスタAにロードする。

  4. レジスタAの値をターミナルに出力する。

  5. メモリに格納した1文字目をレジスタAにロードする。

  6. レジスタAの値をターミナルに出力する。

  7. 実行を停止する。

以下の機械語プログラムは、上記のステップを実行する。

  1. 1101 0001 1111 1100 0001 0101

  2. 1111 0001 0000 0000 0001 0110

  3. 1101 0001 1111 1100 0001 0101

  4. 1111 0001 1111 1100 0001 0110

  5. 1101 0001 0000 0000 0001 0110

  6. 1111 0001 1111 1100 0001 0110

  7. 0000 0000

16進数で表現すると、以下のようになる。

  1. D1 FC 15

  2. F1 00 16

  3. D1 FC 15

  4. F1 FC 16

  5. D1 00 16

  6. F1 FC 16

  7. 00

このプログラムD1 FC 15 F1 00 16 D1 FC 15 F1 FC 16 D1 00 16 F1 FC 16 00 zzをPep/9で実行すると、キーボードから入力した2文字の位置が入れ替わり、ターミナルに出力される。

  1. プログラムをObject Codeに入力する。

  2. 「ab」をInputに入力する。

  3. Build > Load Object Codeを選択し、プログラムをロードする。

  4. Build > Executeを選択し、プログラムを実行する。

  5. Outputに「ba」と出力されることを確認する。

練習問題#

  1. 即値アドレス指定を使用し、「Hosei」と出力するPep/9の機械語プログラムを作成せよ。ただし、オペランド部の最初のバイトは16進数の00とすること。プログラムの最後にzzを追加すること。

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